Desert dust contribution to the atmospheric aerosol in Cape Verde and in Portugal

Abstract

Através de processos de erosão são introduzidas na atmosfera grandes quantidades de partículas com origem no solo e transportadas a longa distância, afetando a qualidade do ar e o balanço radiativo da Terra. Este estudo, que se desenvolve no âmbito da interação entre os sistemas terraatmosfera, tem como objetivo principal caracterizar o transporte de poeiras dos desertos de África, focando a análise em Cabo Verde e Portugal. Para atingir este objetivo, recorre-se à modelação de poeiras do deserto, conjugada com observações, incluindo concentrações distribuídas por tamanho de partículas e características óticas das poeiras. Ao longo da Tese, utilizam-se três sistemas de modelos: BSC-DREAM8b, NMMB/BSC-Dust e WRF-CHIMERE, considerando diferentes modelos de produção de poeiras do deserto. Para melhorar a modelação da distribuição por tamanhos das partículas, é implementada e testada uma nova parametrização nas emissões, conduzindo a uma diminuição da fração fina e a um aumento da fração grosseira das emissões. Esta alteração tem impacte nas concentrações e parâmetros óticos modelados a jusante das emissões. Os ciclos temporais dos aerossóis são caracterizados neste trabalho, e são implementados e avaliados diferentes métodos para estimar a contribuição das poeiras do Sahara para os níveis regionais de matéria particulada. Durante o inverno, várias intrusões significativas de poeiras com origem no Noroeste de África influenciam as concentrações de matéria particulada à superfície em Cabo Verde. Durante o verão, as poeiras são transportadas a elevadas altitudes, dando origem a elevados valores de espessura ótica do aerossol. Em termos médios anuais, e de acordo com a metodologia aplicada, cerca de 42% da massa de PM10 observada em Cabo Verde está relacionada com o transporte das poeiras do deserto. Embora os episódios de poeiras do deserto sejam menos severos em Portugal, durante 2016, verificaram-se pelo menos duas situações de transporte de poeiras do deserto, que ocorreram em Fevereiro e em Outubro, responsáveis por excedências regionais ao valor limite diário definido para PM10 na Diretiva Quadro da Qualidade do Ar. Este estudo contribui para a caracterização dos processos e fontes responsáveis pela intrusão de poeiras minerais na atmosfera e apresenta novas abordagens e informação importante para transmitir aos agentes envolvidos em processos de tomada de decisão.

Due to erosion processes, huge quantities of soil-derived particles are entrained into the atmosphere and transported away from the source, impacting air quality and affecting the Earth’s radiative budget. This Thesis addresses those land-atmosphere interactions, dealing with atmospheric mineral aerosol, with a main objective of improving the assessment of longrange transport of African dust focusing on Cape Verde and Portugal. To achieve the objective, dust modelling is employed and combined with observations, including size distributed particle concentrations and optical properties. Three different modelling systems are used, namely BSCDREAM8b, the NMMB/BSC-Dust model and WRF-CHIMERE, with distinct dust production models. In order to improve characterization of the dust size distribution at emission, a new parametrization is tested in this work, leading to a decrease in the emission fine fractions and an increase in the coarser ones, which has an impact in modelled downwind concentrations and optical parameters. Aerosol cycles are characterized and different methods to estimate the contribution of Saharan dust to regional PM levels are implemented and assessed. Significant dust intrusions from North West Africa severely affect Cape Verde PM surface concentrations during winter. In the summer dust is transported towards the region at higher altitudes, yielding high aerosol optical depths. On a yearly basis, and according to the methodology employed, roughly 42% of the PM10 mass observed in Cape Verde is associated with dust transported from North African deserts. Desert dust outbreaks are less severe in Portugal. Nevertheless, during 2016, at least two dust episodes, occurring in February and October, are responsible for regional exceedances of the PM10 daily limit value defined in the Air Quality Directive. This study intends to improve the scientific knowledge on processes and sources responsible for mineral dust loading into the atmosphere and to provide new means and valuable information for science-based decision making.